Automatyka i robotyka IV semestr wykłady - …mechatronika.am.szczecin.pl/download/mat_dyd/... · Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie”

Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

1

Materiały dydaktyczne

Automatyka i robotyka

Semestr IV

Wykłady




2

Wstęp

Współczesna automatyzacja1 coraz częściej wiąże się z wdrażaniem do systemów

produkcyjnych robotów. Obecnie roboty reprezentują najwyższą formę automatyzacji. Słowo

„robot” zostało wprowadzone przez czeskiego pisarza Karela Capka w jego sztuce R.U.R.

(Rossum’s Universal Robots) z 1920 roku, a „robota” oznacza w języku czeskim pracę

niewolniczą, harówkę. W sztuce tej naukowiec zaprasza roboty, aby pomogły ludziom

wykonywać proste, powtarzalne prace.

Właściwie to nie ma precyzyjnej definicji robota . Przyjmuje się jednak, że robot to

programowalny, wielofunkcyjny, inteligentny manipulator, który imituje zachowania istoty

inteligentnej – zwykle człowieka. Aby zakwalifikować daną maszynę jako robot, maszyna ta

powinna spełniać dwa warunki:

1. Otrzymywać informacje z otaczającego środowiska;

2. Samodzielnie wykonywać pewne czynności fizyczne (przemieszczać lub manipulować

danymi obiektami).

W roku 1942 Isaac Assimov w krótkim opowiadaniu "Runaround" po raz pierwszy

użył słowa robotyka. W kolejnych latach Assimov w swoich utworach niejednokrotnie

poruszał tematy robotyki. W roku 1950 wydał zbiór opowiadań pod tytułem "Ja, robot".

Assimov wprowadził także trzy prawa robotyki, według których, jak uważa autor, powinny

być programowane roboty:

Prawo zerowe

Robot nie może szkodzić ludziom, ani nie może, przez zaniedbanie, narazić ludzi na szkodę.

Prawo pierwsze

Robot nie może zranić człowieka, ani nie może przez zaniedbanie narazić go na zranienie,

chyba, że narusza to prawo o wyższym priorytecie.

Prawo drugie

Robot musi spełniać polecenia wydawane przez człowieka, poza poleceniami sprzecznymi z

prawami o wyższym priorytecie. 1 Słowo automatyzacja (automation) zostało wymyślone w firmie Ford Motor Company w latach czterdziestych XX wieku i oznaczało zespołowe działanie wielu wzajemnie połączonych maszyn




3

Prawo trzecie

Robot musi chronić samego siebie dopóki dopóty nie jest to sprzeczne z prawem o wyższym

priorytecie.

Robotyka – (robotics) jest to interdyscyplinarna dziedzina wiedzy plasująca się na styku

mechaniki, automatyki, elektroniki, sensoryki, cybernetyki oraz informatyki. Domeną

robotyki są również rozważania nad sztuczną inteligencją - w niektórych środowiskach

robotyka jest wręcz z nią utożsamiana.

W robotyce można wyróżnić następujące działy:

• robotykę teoretyczną – jest to teoria robotów i manipulatorów,

• robotykę przemysłową – zastosowania robotów i manipulatorów w różnych

dziedzinach przemysłu (odlewnictwo, spawalnictwo, lakiernictwo, malarstwo, montaż,

itp.),

• robotykę medyczną i rehabilitacyjną,

• robotykę ogólną – są to metody, aspekty ekonomiczne, socjalne zastosowań robotów.

Krótka historia robotów

1954 zaprojektowanie pierwszego programowalnego robota przez George’a Devola;

George C. Devol (1982)

1956 J. Engelberger, student fizyki na Uniwersytecie Columbia wykupuje prawa do robota

Devola i zakłada firmę Unimation Company;

1961 powstaje pierwszy robot przemysłowy Unimate (do obsługi ciśnieniowej maszyny

odlewniczej), który rozpoczyna pracę na linii montażowej General Motors;

1963 opracowanie pierwszego systemu wizyjnego do robota;




4

1966 Stanford Research Institute demonstruje Shakeya, pierwszego robota potrafiącego się

przemieszczać, posługiwać procesami myślowymi, korzystając z prostych mechanizmów

przetwarzania obrazów i sztucznej inteligencji;

1970-1973 pierwszy robot humanoidalny (człekokształtny), stworzony przez naukowców

Uniwersytetu Waseda (Japonia), nazwany WABOT-1 (WA seda roBOT), porusza rękami i

nogami, a także posługuje się prostymi systemami wzrokowymi i słuchowymi; opracowanie

pierwszego języka programowania robotów (WAVE). Robot ma 25 stopni swobody;

Rys.1. Robot WABOT-1

1977 Zaczyna się publiczna fascynacja robotami: w filmie „Gwiezdne wojny” roboty R2-D2

oraz C-3PO przemierzają galaktykę, sprzeczają się i pomagają zniszczyć Gwiazdę Śmierci;

1978 Wprowadzenie przez firmę Unimation Inc. robota PUMA, opracowanego na podstawie

projektu powstałego w trakcie badań w fabryce General Motors;

1981 opracowanie pierwszego robota z napędem bezpośrednim na uniwersytecie Carnegie

Mellon (Pittsburgh, USA);

1986 W laboratorium Leg Lab uniwersytetu Carnegie Mellon (Pittsburgh, USA) powstają

roboty wyposażone w nogi, które potrafią balansować na swoich kończynach, biegać, a także

fikać koziołki a wszystko to przy stosunkowo małej mocy „mózgu”;

1993 Artifical Intelligence Laboratory w MIT rozpoczyna prace nad Cogiem, humanoidalnym

robotem zdolnym do interakcji z ludźmi i otoczeniem;




5

1996 Po 10 latach tajnych badań firma Honda zaprezentowała, chodzącego robota

humanoidalnego P2, (protoplastę robota Asimo);

1999 Humanoidalny robot DB, wspólne dzieło firmy Sacros i laboratorium ATR, uczy się

żonglować i naśladować ludzkie ruchy;

2001 Liczba instalacji robotów przemysłowych w Unii Europejskiej po raz pierwszy w

historii przekroczyła liczbę instalacji obecnych w Japonii, która do tego czasu była

niekwestionowanym liderem w tej dziedzinie;

2003 Firma Sony prezentuje rozrywkowego robota, humanoidalnego QRIO, który umie

chodzić i tańczyć, a także rozpoznaje glosy i sam potrafi mówić;

2004 Firma iRobot sprzedaje milionowy egzemplarz swojego zrobotyzowanego odkurzacza

o nazwie Roomba.

2008 Kanada zbudowała robot nazwany Dextre, który został umieszczony na zewnątrz

Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS); ma on około czterech metrów wysokości i waży

półtorej tony. Zasięg jego ramion to docelowo dziesięć metrów. Posiada siedem przegubów

(stawów) na każdym ramieniu i może obracać się wokół własnej osi. Może przenosić rzeczy

duże, ale też bardzo niewielkie, potrafi łapać, ma wbudowane klucze nasadowe, kamery i

oświetlenie. Ma on pomagać astronautom podczas spacerów kosmicznych; będzie też

przenosił ładunki i dokonywał prac remontowych czy budowlanych na zewnątrz stacji.

Pierwsze roboty wykonywały głównie różne czynności związane z przenoszeniem

materiałów w takich operacjach jak formowanie wtryskowe czy tłoczenie. Można w nich było

zaprogramować sekwencję ruchów (np. ruch od pozycji A do B), ale nie miały one

możliwości obsługi czujników zewnętrznych (wizyjnych, dotykowych, siły), które są

konieczne w bardziej skomplikowanych operacjach, np. spawanie, gratowanie2, stępianie

krawędzi, itp.

2 Gratowanie, czyli usuwanie ostrych fragmentów detali powstałych w wyniku ich wcześniejszej obróbki, jest powszechnie wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu - np. branży lotniczej, motoryzacyjnej, stoczniowej. Z różnych względów, także w związku z kosztami, jakie firma musi ponieść, wyposażając stanowisko operatora w systemy zapewniające bezpieczeństwo, automatyzacja tego procesu staje się coraz bardziej opłacalna, tym bardziej,




6

Temat 1: Rodzaje robotów

Zastosowanie robotów

• W przemyśle (roboty zgrzewające, spawające (łukowo, punktowo, laserowo,

montażowe, do malowania natryskowego, itp.).

Spawanie za pomocą robota. Uzyskanie spawu o odpowiedniej jakości wymaga

uwzględnienia wielu czynników. Dlatego w przypadku robotów spawających

wykorzystuje się sterowanie adaptacyjne, polegające na korekcji wstępnie

zaprogramowanej ścieżki ruchu przed rozpoczęciem albo w trakcie spawania, w

zależności od rodzaju czujników monitorujących przebieg tego procesu. Sensory

wykorzystywane w tym zakresie dzieli się na badające strukturę powierzchni

spawanych elementów oraz czujniki monitorujące parametry spawania, a przede

wszystkim właściwości łuku. Do pierwszej grupy zaliczane są czujniki dotykowe, w

których elementem pomiarowym jest elektroda. Podłączając napięcie i badając

przepływ prądu na styku elektrody i spawanych powierzchni, można wstępnie

zmodyfikować zaprogramowaną linię spawu. Wadą tej metody jest jednak czas, jaki

zajmuje badanie zgrzewanych elementów - typowo do kilku sekund na złącze. Do

drugiej grupy należy metoda z pomiarem prądu. Jego natężenie maleje w momencie

oddalenia palnika od płyt i rośnie, gdy łuk jest skracany. W ten sposób można

precyzyjnie kontrolować odległość palnika od łączonych krawędzi, w kierunku

poziomym oraz pionowym. W ramach zrobotyzowanych stanowisk spawania

łukowego wykorzystywane są także systemy wizyjne, które czasem zastępują czujniki

dotykowe w zakresie wstępnej analizy spawanych powierzchni, głównie ze względu

na krótszy czas analizy. Dodatkowo stosuje się też połączenie kamery z laserem, który

wyświetla linię na zgrzewanych powierzchniach. ( z http://automatykab2b.pl/technika/ )

• W transporcie – przenoszenie materiałów, załadunek i rozładunek,

• Badania podwodne i kosmiczne,

że obróbka wykończeniowa nie tylko w przypadku robotów, ale też i ludzi nie należy do zadań prostych w realizacji. (http://automatykab2b.pl/ )




7

• Naprawa satelitów,

• Rozbrajanie urządzeń wybuchowych,

• roboty do owijania palet (owijarki),

• paletyzujące i depaletyzujące,

• w medycynie – protezy kończyn to roboty,

• roboty czyszczące podwodną część kadłuba statku; przykładowy opisany robot [A.

Morecki i inni Podstawy robotyki, WNT Warszawa 1999] posiada następujące dane

techniczne: pobór oleju przez siłowniki hydrauliczne – 50 l/min przy ciśnieniu 16

MPa, moc elektromagnesów konieczna do utrzymania się na burcie statku – 2,3 kW,

wydajność czyszczenia 20÷30 m/min, szerokość czyszczenia – 1,6 m. Robot może

czyścić podwodną część kadłuba w porcie, podczas pływania statku w warunkach

określonej widoczności i dryfu. Operacja ‘przycumowania’ robota do statku, jak

również proces czyszczenia są obserwowane przez operatora na monitorze.

Według rodzaju napędu roboty można podzielić na:

• z napędem elektrycznym - silniki prądu stałego, silniki prądu przemiennego, silniki

krokowe. Ruch liniowy z napędem elektrycznym jest uzyskiwany poprzez zamianę

ruchu obrotowego na postępowy w mechanizmie śrubowym. Redukcję prędkości

silnika elektrycznego uzyskuje się poprzez zastosowanie przekładni mechanicznych

kołowych, cięgnowych, a w szczególności przekładni falowych lub cykloidalnych.

• z napędem pneumatycznym - siłowniki liniowe, obrotowe i liniowo-obrotowe,

• z napędem hydraulicznym - siłowniki liniowe i wirnikowe silniki hydrauliczne,

• z napędem mieszanym.

Klasyfikacja robotów ze względu na sterowanie:

• roboty sekwencyjne - roboty z sekwencyjnym układem sterowania. Sekwencyjny

układ sterowania to taki, w którym stan ruchu (manipulatora) robota wynika z

określonego porządku (sekwencji) działań. Działanie robota jest binarne (on/off,

start/stop) a trajektoria pomiędzy dwoma położeniami końcowymi jest sterowana.




8

• roboty realizujące zadane trajektorie - roboty realizujące ustaloną wcześniej

procedurę ruchów, według instrukcji określającej żądane pozycje i prędkość ruchu w

dowolnym położeniu. Do tej kategorii robotów zalicza się roboty CNC (Computerized

Numerical Control - komputerowe sterowanie urządzeń numerycznych)

• roboty adaptacyjne to roboty o najbardziej zaawansowanym technologicznie układzie

sterowania, pozwalającym na adaptację ruchów robota w zależności od aktualnej

sytuacji, np. roboty wyposażone w czujniki wizyjne, dzięki którym możliwa jest

korekta ruchów podczas wykonywania danej czynności. Układy takie charakteryzują

się możliwością zmiany własności, dzięki wykorzystaniu informacji z czujników lub

nagromadzonych doświadczeń, planowania zadań lub przez nauczanie.

• teleoperator – oznacza robot ze sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora

lub komputer.

Układ współrzędnych robota w którym pracuje element roboczy może być:

o kartezjański (PPP, position, position, position)– element roboczy może pracować w

trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach,

Rys.1a. Robot kartezjański

o cylindryczny (RPP, rotation, position, position) – element roboczy może

przemieszczać się w kierunku poziomym i pionowym oraz wykonywać ruch obrotowy

wokół osi poziomej (rys.2); małe roboty tego typu są wykorzystywane jako roboty

montażowe, zaś duże do załadunku i rozładunku. Prędkość robota jest średnia. Roboty




9

montażowe mają dobre sterowanie ścieżką i dobrą powtarzalność oraz dokładność.

Roboty przeznaczone do i załadunku mają duży udźwig, ale małą powtarzalność i

dokładność.

Rys.2. Układ współrzędnych cylindrycznych i robot cylindryczny

o sferyczny (roboty posiadające jeden liniowy oraz dwa obrotowe zespoły ruchu, RRP-

rotation, rotation, position) – rys.3.

Rys.3. Układ współrzędnych sferycznych i schematyczny robot sferyczny

Robot posiada dużą pionowa przestrzeń roboczą przy stosunkowo małej jednostce

mechanicznej. Skok pionowy może być dwa razy dłuższy niż zasięg poziomy

o antropomorficzny (przegubowe, RRR- rotation, rotation, rotation) – roboty, których

wszystkie 3 osie są osiami obrotowymi. (rys.4).

Rys.4. Robot antropomorficzny




10

Robot o konstrukcji przegubowej zapewnia dużą przestrzeń roboczą. Przegubowość

sześciu osi umożliwia orientację przegubu praktycznie w każdej pozycji. Powtarzalność i

dokładność robota są dobre, ale mogą być za niskie w niektórych zastosowaniach montażu

precyzyjnego. Wady tych robotów to: gorsze osiągi na brzegach przestrzeni roboczej,

stosunkowo mała sztywność szkieletu, pogorszenie udźwigu, dokładności i powtarzalności na

wewnętrznych i zewnętrznych brzegach przestrzeni roboczej.

Roboty tego typu nadają się do amlowania z uwagi na to, że sześć osi zapewnia

bardzo dobra przegubowość nadgarstka.

o typu SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm or Selective Compliant

Articulated Robot Arm) czyli stawowy robot montażowy selektywnie podatny (rys.5);

jest to robot montażowy z ramionami wychylanymi w płaszczyźnie poziomej). Robot

(manipulator3) stawowy nazywany jest także manipulatorem obrotowym. Posiada dwa

przeguby obrotowe i jeden pryzmatyczny. Roboty typu SCARA są stosowane głównie

do montażu (rys. 6).

Rys.5. Kinematyczna konfiguracja robota typu SCARA (RRP- rotation, rotation, position)

Roboty SCARA mają największą szybkość i najlepsza powtarzalność ze wszystkich postaci

konstrukcyjnych robotów. Są używane do precyzyjnego, bardzo szybkiego, lekkiego

montażu, na przykład montaż elementów elektronicznych na płytkach drukowanych,

układanie czekoladek w pudelkach, itp.

3 Manipulatorem nazywamy układ N ramion połączonych ze sobą przegubami, zakończony efektorem (chwytakiem). Pojedyncze ogniwo manipulatora zbudowane jest z przegubu oraz następującego po nim ramienia, gdzie przegub zapewnia możliwość ruchu.




11

Rys.6. Roboty typu SCARA

Temat 2: Konstrukcje robotów

Manipulatory przemysłowe są zbudowane z elementów połączonych przegubami w

otwarty łańcuch kinematyczny. Do opisu ruchu manipulatorów wykorzystuje się tylko dwa

rodzaje połączeń: obrotowe i postępowe, gdyż każde inne połączenie może być opisane za ich

pomocą. Przeguby te są zwykle obrotowe (rotacyjne, R) i pryzmatyczne (liniowe, P).

Przeguby obrotowe (R) są podobne do zawiasów i umożliwiają obrót jednego elementu

względem drugiego (rys.7 ).

Rys.7 . Symboliczne przedstawienie przegubów obrotowych robota

Przeguby pryzmatyczne (P) umożliwiają ruch liniowy jednego elementu względem drugiego

(rys.8).

Rys. 8. Symboliczne przedstawienie przegubów pryzmatycznych robota




12

Liczba przegubów określa liczbę stopni swobody manipulatora – manipulator

powinien mieć co najmniej trzy stopnie swobody (trzy do pozycjonowania i trzy do

orientowania). Jeśli liczba stopni swobody jest mniejsza niż sześć to manipulator nie jest w

stanie osiągnąć danego punktu w przestrzeni z zadaną orientacją. Wzrost liczby stopni

swobody manipulatora powoduje, że rośnie znacznie stopień jego sterowania. Manipulator,

który posiada więcej niż sześć stopni swobody nazywa się kinematycznie redundantnym.

Podział robotów przemysłowych ze względu na budowę jednostki kinematycznej:

• jednostki monolityczne - jednostki kinematyczne o niezmiennej konstrukcji

mechanizmu, którą użytkownik może uzupełnić nieliczną grupą komponentów

dopuszczonych przez producenta (np. chwytak, narzędzie lub zespół ruchu).

Wadą tego typu urządzeń jest ich bardzo mała elastyczność wymagana w

nowoczesnych systemach produkcyjnych.

• jednostki modułowe - Manipulatory robotów modułowych są budowane z

mechanicznie, energetycznie i sygnałowo sprzężonych zespołów nazywanych

modułami, z których każdy realizuje ruch w ramach jednego stopnia swobody.

Moduły realizują przemieszczenia liniowe lub kątowe w dowolnej kolejności. W

podstawowych rozwiązaniach konstrukcyjnych moduły są pozycjonowane

dwupołożeniowo. W rozwiązaniach zaawansowanych technicznie stosowane jest

pozycjonowanie wielopołożeniowe. W zastosowaniach technicznych najczęściej

są stosowane manipulatory modułowe z napędem pneumatycznym. Przykładem

mogą być moduły firmy FESTO.

• jednostki pseudomodułowe - jednostki kinematyczne o stałej strukturze

kinematycznej, charakteryzujące się możliwością wymiany przez użytkownika

robota niektórych zespołów ruchu, zazwyczaj ostatnich w łańcuchu

kinematycznym zespołów ruchu.

W skład schematu funkcjonalnego robota wchodzą (rys. 9):

1. podstawa: płyta lub inna konstrukcja (nieruchoma), która jest pierwszym członem,




13

2. korpus: obudowa elementów zespołów ruchów ramienia,

3. ramię dolne i górne,

4. przegub (kiść, nadgarstek) część układu ruchu między elementem roboczym a

ramieniem, która orientuje element roboczy; jest to napędzane urządzenie

mechaniczne, umożliwiające robotowi obracanie efektorem końcowym nie mniej niż

dokoła trzech osi. Chodzi tu o osie dodatkowe w stosunku do głównych osi robota.

Kiscie robota mogą mieć konfiguracje jedno-, dwu- i trzyosiowe.

5. element roboczy: np. chwytak lub końcówka malarska itp.

6. układ sterowania,

7. napędy,

8. pulpit nauczania (sterowniczy) jest przenośnym zestawem przełączników

elektrycznych, który umożliwia operatorowi sterować wyjściami robota oraz

odczytywać stan wejść i pozycji robota.

Rys. 9. Przykłady robotów różnych firm (od lewej): spawalniczy, montażowy, malarski

Parametry robotów przemysłowych

Liczba osi; wymagane są 2 osie, aby robot osiągnął dowolny punktu na płaszczyźnie;

natomiast trzy osie są wymagane do osiągnięcia przez robota dowolnego punktu w

przestrzeni. Do pełnej kontroli orientacji końcówki ramienia (np. chwytaka, końcówki

malarskiej) potrzebne są dodatkowe 3 osie.




14

Liczba stopni swobody jest to liczba zmiennych położenia, jaką należy podać w celu

jednoznacznego określenia układu w przestrzeni. Zazwyczaj jest równa liczbie osi robota.

Przestrzeń robocza robota jest całkowitym obszarem, do którego dochodzi jego efektor

końcowy4 przy pełnych zakresach wszystkich możliwych jego ruchów. Przestrzeń robocza

może być ograniczana hardware’owo (za pomocą ograniczników) lub software’owo

(programowo).

Kinematyka analizuje rzeczywiste rozmieszczenie elementów sztywnych i złącz robota, które

określają możliwe ruchy robota. Kinematyka – zajmuje się matematycznym opisem ruchu

robotów oraz badaniem geometrycznych właściwości tego ruchu. Kinematyka abstrahuje od

działających sił i

bezwładności ciał.

Istnieje kilka klas kinematyki robotów: przegubowa, kartezjańska, równoległa i SCARA.

Dynamika – zajmuje się opisem ruchu robotów pod wpływem działania sił.

Nośność (udźwig użyteczny), czyli dopuszczalna masa obiektu, jaką robot może podnieść.

Określa obciążalność robota, jest obliczany na podstawie ciężaru i momentu bezwładności

ładunku, którym robot manipuluje.

Prędkość określa szybkość przemieszczania końcówki ramienia. Prędkość może być

określona jako prędkość kątowa lub liniowa każdej z osi robota lub jako prędkość złożona,

np. prędkość końcówki ramienia kiedy wszystkie osie robota poruszają się.

Przyspieszenie osi robota. Często wartość przyspieszenia robota zdefiniowana w specyfikacji

nie może być osiągnięta, np. z powodu niedostatecznej odległości ruchu lub skomplikowanej

trajektorii ruchów, wymagającej zmianę kierunku ruchu. 4 Efektor końcowy (końcówka), to narzędzie lub urządzenie, mocowane do nadgarstka robota. Może to być chwytak, pistolet malarski, dysza, palnik, elektroda spawalnicza.




15

Dokładność jest miarą bliskości osiągania przez robot określonego punktu w przestrzeni

roboczej.

Powtarzalność jest miarą dokładności powracania robota do nauczonego punktu. Dobra

powtarzalność oznacza, że robot każdorazowo wraca do tego samego punktu. Robot może

mieć doskonałą powtarzalność, ale złą dokładność.Większość współczesnych robotów

przemysłowych ma powtarzalność znacznie lepszą od dokładności.

Kontrola ruchu; w niektórych zastosowaniach, takich jak operacje: ‘podnieś i przenieś’, robot

potrzebuje jedynie ograniczonej liczby zaprogramowanych pozycji w przestrzeni roboczej,

które osiąga podczas pracy. W innych, bardziej zaawansowanych zastosowania, takie jak

spawanie czy malowanie), trajektoria ruchu robota musi być bezustannie kontrolowana.

Źródło energii; roboty do pracy wykorzystują różnego typu napędy: elektryczny,

hydrauliczny, pneumatyczny lub mieszany (który jest kombinacją trzech poprzednich

rodzajów napędów). Zdecydowana większość obecnie stosowanych napędów to silniki

elektryczne.

Podatność jest miarą o jaki kąt lub odległość przesunie się oś robota, gdy zostanie przyłożona

do niej siła zewnętrzna. Podatność sprawia, że kiedy robot przenosi obiekt o maksymalnej,

dopuszczalnej masie, pozycja elementu wykonawczego będzie nieco niżej niż podczas tego

samego ruchu robota, ale już bez obciążenia.

Niezawodność określa własność obiektu mówiącą o tym, czy pracuje on poprawnie (spełnia

wszystkie powierzone mu funkcje i czynności) przez wymagany czas i w określonych

warunkach eksploatacyjnych (w danym zestawie czynników wymuszających).




16

Temat 3: Metody rozpoznawania otoczenia.

Roboty pracują w określonym środowisku, dlatego też muszą otrzymywać informacje

z tego środowiska. Istotne znaczenie mają obecnie sensory zbliżenia, dotyku, poślizgu, siły

chwytu oraz widzenie maszynowe. Sensory te instalowane są zwykle na manipulatorze (w

chwytaku) lub w jego bezpośredni otoczeniu.

Sensory zbliżenia służą do pomiaru odległości między miejscem ich zamontowania a detalem

procesowanym. Działają w zakresie 10÷200 mm, a w specjalnych wykonaniach od 1÷20 mm.

Najbardziej powszechne to:

Sensory ultradźwiękowe. Zawierają nadajnik i odbiornik sygnału ultradźwiękowego. Za

pomocą odbitego sygnału ultradźwiękowego możliwe jest wykrywanie obecności

przedmiotów. Najmniejsze wymiary wykrywanego detalu przy maksymalnym zasięgu

działania 3 m wynoszą 3x3x40 mm. Mała rozdzielczość tych czujników wynika ze

stosunkowo dużej długości fali ultradźwiękowej. Są stosowane jako dalmierze przed

uchwyceniem przedmiotu.

Sensory laserowe działają na podobnej zasadzie jak sensory ultradźwiękowe, oczywiście

z tą różnicą, fali ultradźwiękowej wykorzystuje się wiązkę światła laserowego

podczerwonego z półprzewodnikowego lasera GaAlAs (które jak wiadomo jest spójne).

Dokładność określenia odległości wynosi 0,5 mm.

Transoptor refleksyjny to sprzężona optycznie para elementów: dioda

elektroluminescencyjna (wejście) – fotodetektor (fotodioda lub fototranzystor).

Pojawienie się przedmiotu między dioda a fotodetektorem powoduje przerwanie

strumienia świetlnego generowanego przez diodę i detekcję obecności przedmiotu.

Zakres tych sensorów dochodzi do około 200 mm, a rozdzielczość około 1 mm.

Sensory dotyku są rozmieszczone na wewnętrznej stronie szczęk chwytaka robota i służą

do zetknięcia się chwytaka z przedmiotem. Specjalnie spreparowana matryca takich

sensorów (sensory umieszczone w elastomerze5) tworzy tzw. sztuczną skórę, która

5 Elastomery – to polimerowe tworzywa sztuczne lub naturalne, które cechuje zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości ich struktury. Elastomery to szersza grupa materiałów niż gumy, które stanowią tylko jedną z klas elastomerów (http://pl.wikipedia.org )




17

pozwala na rozpoznanie kształtu obiektu. Jej działanie polega na zmianie rezystancji

przejścia między dwoma elektrodami przyłożonymi do elastomeru: zmniejszenie siły

nacisku powoduje wzrost rezystancji przejścia i zmniejszenie prądu płynącego przez

elektrody. Sztuczna skóra jest sensorem dotyku działania ciągłego. Innym rodzajem

sensorów dotyku są przełącznikowe sensory dotyku. Ich działanie polega na

załączaniu/wyłączaniu obwodów elektrycznych pod wpływem nacisku.

Jako sensory zbliżenia wykorzystywane są również przetworniki indukcyjne lub

pojemnościowe.

Sensory siły to najczęściej przetworniki tensometryczne. Informację o uchwyceniu obiektu z

odpowiednią siłą chwytu uzyskuje się przez porównanie faktycznego sygnału wyjściowego z

układu pomiarowego siły w końcówkach chwytnych z progową wartością zadaną. Czujniki sił

i momentów (force/torque, F/T) są zazwyczaj umieszczane w przegubach robotów, w

związku z czym powinny charakteryzować się dużą wytrzymałością mechaniczną oraz

rozmiarem i kształtem umożliwiającym wbudowanie w manipulatory różnego rodzaju.

Warunki te najlepiej spełniają sensory tensometryczne i dlatego to one są najczęściej

wykorzystywane do pomiaru sił w robotach przemysłowych.

Rys. 9a. Tensometr w przegubie robota. Składa się on z dwóch współśrodkowych pierścieni. Mniejszy z nich

jest połączony z efektorem (narzędziem) robota, natomiast większy z przegubem. Oba pierścienie są połączone

także ze sobą za pośrednictwem czterech elastycznych belek. Na każdej z nich naklejono po cztery tensometry w

konfiguracji mostka Wheatstone’a. W momencie przyłożenia siły belki uginają się, a tensometry mierzą

składowe siły i momenty wzdłuż osi x, y i z. Stosowane są różne technologie produkcji oraz materiały, przy

czym zasadniczo produkuje się trzy rodzaje tensometrów: drutowe, foliowe oraz półprzewodnikowe. Ze względu

na liczne zalety najczęściej wykorzystuje się tensometry foliowe. Do ich największych atutów należy duża




18

elastyczność pod względem konstrukcji, większa powierzchnia przylegania do podłoża w porównaniu z

tensometrami drutowymi, liniowość charakterystyki oraz duży zakres dynamiczny i lepsze odprowadzanie ciepła

w porównaniu do konkurencyjnych technik. (z http://automatykab2b.pl/technika/ )

Sensory poślizgu

Sensory wizji maszynowej są wykorzystywane do zbierania informacji metodami optycznymi

o środowisku w otoczeniu robota. Ich zadania to rozpoznawanie (identyfikacja) i

zapamiętywanie opisu obiektów (orientacji, stanu, parametrów) oraz ich otoczenia. Sensory

wizji mogą być przystosowane do przetwarzania obrazów na płaszczyźnie

(dwuwymiarowych, 2D) lub w przestrzeni (trójwymiarowych, 3D). Jako czujniki wizyjne

stosowane są półprzewodnikowe przetworniki obrazu (CCD, Charge Coupled Device6) oraz

skanery laserowe. Najszersze zastosowanie mają systemy wizyjne składające się z kamery i

systemu cyfrowej obróbki obrazu. Obecnie w matrycach CCD odległości pomiędzy

poszczególnymi elementami światłoczułymi wynoszą rzędu setnych milimetra, a ich

upakowanie jest rzędu 211 w jednym module. Kamery umieszcza się w mechanizmach chwytu

robota lub na manipulatorze.

Skanery laserowe mogą realizować pomiar odległości według zasad triangulacji oraz pomiaru

czasu pomiędzy impulsem wysłanym i odebranym od detalu procesowanego.

Obecnie jako sensory wizyjne stosuje się coraz częściej w robotach światłowody stosowane

do przesyłania obrazu z miejsc trudno dostępnych lub ich oświetlania.

Czujniki wizyjne dostarczają najwięcej informacji o stanie otoczenia robota.

Temat 4: Kinematyka i dynamika robotów – wyznaczanie trajektorii,

Zadanie planowania trajektorii jest jednym z najtrudniejszych zadań, a sprowadza się

ono do wyznaczenia krzywej łączącej bezkolizyjnie konfigurację początkową z zadaną

konfiguracja końcową. Parametrem tej krzywej jest czas. Dla właściwego przeprowadzenia

tego zadania potrzebne są takie informacje jak:

6 Matryca CCD jest to układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy rejestruje, a następnie pozwala odczytać sygnał elektryczny proporcjonalny do ilości padającego na niego światła (http://pl.wikipedia.org/wiki/ )




19

• opis geometryczny przestrzeni roboczej, manipulatora, chwytaka, detali w

przestrzeni roboczej i przeszkód w niej istniejących,

• opis dynamiki i kinematyki manipulatora,

• wskaźnik jakości sterowania.

Na podstawie tych informacji, specjalnych algorytmów wykrywania kolizji oraz równań

kinematycznych i dynamicznych przeprowadzany jest proces bezkolizyjnego planowania

trajektorii łączącej konfigurację początkową z konfiguracją końcową. W planowaniu

trajektorii stosowane są następujące metody:

• programowania dynamicznego; wyznaczana jest trajektoria dla założonego

wskaźnika jej jakości, na przykład ma to być trajektoria najkrótsza,

• sztucznego potencjału; metoda ta wykorzystuje własności pól potencjalnych – w

otoczeniu przeszkód wprowadza się sztuczne lokalne pola potencjalne i przyjmuje

się, że elementy manipulatora, które znajdą się w tym polu są odpychane.

Trajektorię manipulatora wyznacza krzywa potencjału, która minimalizuje siły

odpychania od wszystkich przeszkód. Dla małej liczby przeszkód metoda ta może

być stosowana w czasie rzeczywistym. Poważną wadą tej metody jest występowanie

minimów lokalnych funkcji potencjału.

• funkcji harmonicznych; sztuczny potencjał jest indukowany przez funkcje

harmoniczne, będące rozwiązaniami funkcji Laplace’a,

• heurystyczne; metody te uaktualniają kierunek poszukiwania trajektorii na

podstawie informacji otrzymywanej z otoczenia

Rozróżnić można dwa rodzaje trajektorii:

Trajektoria punktu lub elementu – jest to zbiór przebiegów czasowych położeń, prędkości i

przyspieszeń pewnego punktu lub elementu roboczego robota

(manipulatora) opisana we współrzędnych kartezjańskich.




20

Trajektoria we współrzędnych konfiguracyjnych - jest to zbiór przebiegów czasowych

położeń, prędkości i przyspieszeń w połączeniach ruchowych

elementów. Zadanie wyznaczenia takiego zbioru nazywa się

planowaniem trajektorii i polega na wyznaczeniu przebiegów

czasowych

położeń, prędkości i przyspieszeń w połączeniach ruchowych elementów, które spełniają

warunki zadania, na przykład przemieszczenie obiektu z położenia początkowego do

końcowego. Planowanie trajektorii sprowadza się do rozwiązania zadania odwrotnego

kinematyki dla danych położeń elementu roboczego – początkowego i końcowego. Spośród

rozwiązań wybiera się takie, które spełnia dodatkowe warunki, na przykład minimum zużycia

energii, omijanie określonych przeszkód, itp.

Zadanie proste kinematyki polega na obliczeniu pozycji i orientacji efektora (np. chwytaka)

w układzie współrzędnych kartezjańskich dla danego zbioru

współrzędnych konfiguracyjnych (przegubowych). należy

wyznaczyć pozycję i orientację elementu manipulatora (np.

chwytaka) we współrzędnych kartezjańskich, jeśli znane są pozycje i orientacje tego elementu

we współrzędnych konfiguracyjnych, np. jakie będzie położenie chwytaka, gdy jego przegub

zostanie obrócony o kąt α.

Zadanie odwrotne kinematyki polega na wyznaczeniu wszystkich możliwych pozycji i

orientacji (współrzędnych konfiguracyjnych) elementów w

połączeniach ruchowych, które umożliwi ą manipulatorowi

uzyskanie zadanych pozycji i/lub orientacji elementu

roboczego (np. chwytaka).

Inaczej: znając wymaganą pozycję i/lub orientację chwytaka należy wyznaczyć wszystkie

możliwe pozycje i orientacje w połączeniach ruchowych.

Jest to podstawowe zadanie programowania i sterownia ruchem manipulatora, w którym

trzeba znaleźć, jak poszczególne współrzędne konfiguracyjne powinny zmieniać się w czasie,




21

aby uzyskać wymagany ruch elementu roboczego (np. chwytaka). W zadaniu pozycjonowania

– wziąć i położyć (take and place) znane są początkowe i końcowe położenia elementu

roboczego oraz czas przemieszczenia. Rozwiązanie zadania odwrotnego kinematyki polega

na wyznaczeniu takich współrzędnych elementów ruchowych, które spowodują uzyskanie

wymaganych położeń elementu roboczego.

Nie zawsze można wyznaczyć rozwiązanie zadania odwrotnego w postaci jawnej.

Istnieją trzy metody rozwiązania zadania odwrotnego: metoda macierzowa, metoda

wektorowa i metody numeryczne.

Rys.10 . Kinematyka prosta (od katów do pozycji) -a) i odwrotna (od pozycji do kątów) - b) manipulatora

Dynamika manipulatora

Chcąc sterować pozycją manipulatora trzeba znać jego właściwości dynamiczne, by

wiedzieć, jak dużą siłą należy działać, aby wywołać jego ruch. Sterowanie zbyt małą siłą

spowoduje, że manipulator będzie wolny; z kolei oddziaływanie ze zbyt dużą siłą może

spowodować zderzenie z manipulowanym obiektem lub oscylacje wokół pozycji zadanej. Na

zagadnienie sterowania ruchem składają się dwa zadania: śledzenie trajektorii i jednoczesne

tłumienie zakłóceń.

Zagadnienie sterowania manipulatorami robotów sprowadza się do problemu

określenia przebiegu czasowego na wejściach przegubów, niezbędnego do wykonania

zadanego ruchu przez efektor końcowy. Sygnałami wejściowymi przegubów mogą być siły i

momenty podane na te przeguby lub napięcia wejściowe na silniki przegubów. Zadany ruch

jest definiowany zwykle jako sekwencja pozycji i orientacji efektora końcowego, albo jako

trajektoria ciągła. Rodzaj sterowania manipulatorem zależy od takich czynników jak: rodzaj




22

trajektorii (ciągła, od punktu do punktu), rodzaju manipulatora (kartezjański, sferyczny lub

inny), konstrukcji mechanicznej manipulatora.

Najprostsze sterowanie manipulatorem to niezależne sterowanie jego osiami – każda

oś manipulatora jest traktowana jako układ o jednym wejściu i jednym wyjściu. Efekty

sprzężeń, wywołane ruchem innych elementów są ignorowane lub traktowane jako

zakłócenia.

Układy regulacji trajektorii manipulatorów robotów powinny być układami

nadążnymi, czyli takimi w których sygnał wyjściowy manipulatora ‘śledzi’ (nadąża) za

sygnałem zadanym (zadaną trajektorią) mimo oddziaływujących zakłóceń.

Jak już wspomniano przeguby napędzane są przez różnego rodzaju silniki elektryczne,

najczęściej przez silnik prądu stałego z magnesami trwałymi. Uproszczona dynamika (na

skutek zaniedbania nieliniowości i przeprowadzonej linearyzacji w otoczeniu punktu pracy)

silnika prądu stałego w torze: kąt obrotu wału wirnika )(tmθ - napięcie wirnika V(t) ma postać:

)()()(

RKKBsJs

RK

sV

s

mbmm

mm

++=θ

gdzie:

A

NmKm współczynnik napędowego momentu obrotowego proporcjonalnego do prądu

wirnika,

R [Ω] rezystancja wirnika,

[ ]2kgmJm moment bezwładności napędu i przekładni,

[ ]JsBm współczynnik oporowego momentu obrotowego proporcjonalnego do prędkości

kątowej (tłumienie),

[ ]VsKb współczynnik dla siły przeciwelektromotorycznej.

Transmitancji tej odpowiada schemat blokowy przedstawiony na rysunku 11.




23

Rys.11. Schemat blokowy silnika prądu stałego w torze: kąt obrotu wału-napięcie wirnika

Zauważmy, że jednostki R

KK mb są takie same jak jednostki mB :

[ ] [ ]JsNmsA

Nm

V

VAs

A

Nm

A

VVs

R

KK mb ==

⋅=⋅=

czyli jest to dodatkowa bezwładność spowodowana zjawiskami elektrycznymi w silniku.

Natomiast m

m

B

J jest mechaniczną stałą czasową:

[ ] [ ]ss

s

kgmkgm

Js

kgm

B

JT

m

mm =

=

=

=

2

2

22

Pomiędzy kątem obrotu wału wirnika )(tmθ a momentem obciążenia d(t) można napisać

analogiczną transmitancję:

)()()(

RKKBsJs

r

sd

s

mbmm

m

++=θ

gdzie r jest przełożeniem przekładni o przełożeniu 1:r (silnik elektryczny pracuje na przegub

manipulatora przez przekładnię redukcyjną).

Najprostszym rodzajem ruchu manipulatora robota jest ruch od punktu do punktu.

Przy takim ruchu manipulator robota jest sterowany tak, aby przeszedł od punktu

+ –

V(s) Km

R θm(s) 1

Jms +Bm

+ –

rd(s)

Im(s) 1 s

Kb




24

początkowego do punktu końcowego po dowolnej trasie. Ruch od punktu do punktu może

być wykorzystywany do przenoszenia, wtedy gdy w przestrzeni roboczej brak przeszkód.

Temat 5: Napędy, sterowanie pozycyjne, serwomechanizmy (ciąg dalszy).

Osie robota są napędzane przez tzw. serwosilnik/serwomotor (rys.11a). Serwosilnik

składa się z dwóch zasadniczych elementów: samego silnika (najczęściej elektrycznego) i

czujnika-enkodera, który mierzy pozycję wału silnika. Serwosilnik jest silnikiem, którego

położenie, prędkość i przyspieszenie wału są sterowane. Bardzo często w skład serwosilnika

wchodzi przekładnia redukcyjna o przełożeniu rzędu 100:1.

Rys.11a. Serwosilnik (serwomotor)

Sterownie ruchem manipulatora jest połączeniem sterowania ścieżką (dokładnością

odwzorowania ścieżki zadanej) i sterowania prędkością. Dobre sterowanie ścieżką jest

szczególnie ważne dla robotów spawających, malujących lub uszczelniających. Jeżeli podczas

spawania robot nie kopiuje dokładnie szczeliny spawu, to spaw będzie zły. Jeżeli robot będzie

poruszał się zbyt wolno to spaw będzie się nawarstwiał. Tak więc prędkość manipulatora

robota musi być odpowiednia, aby przy nadążaniu za ścieżką, spaw był wykonany poprawnie.

Serwomechanizmy

Serwomechanizmem nazywa się nadążny układ regulacji automatycznej (rys. 11b) ze

wzmocnieniem mocy, służący do precyzyjnego sterowania położeniem np. klapą, zaworem,

anteną, ręką robota, sterem statku). Serwonapęd (serwomotor) stanowiący integralną część

serwomechanizmu, to urządzenie wykonawcze – najczęściej odpowiednio dobrany silnik




25

elektryczny, przetwarzający sygnał sterujący małej mocy na przesunięcie liniowe lub kątowe

o dużej sile lub momencie siły. W obecnie produkowanych urządzeniach stosuje się niemal

wyłącznie układy serwomechanizmów cyfrowych ze sterowaniem mikroprocesorowym,

umożliwiające realizowanie przemieszczeń z dokładnością rzędu mikrometrów.

Rys.11b. Schemat blokowy serwomechanizmu

Transmitancja układu otwartego:

)1()()(

)(+

==Tss

kk

sE

sYsG vp

o

Transmitancja układu zamkniętego:

TkkTss

Tkk

kksTs

kk

Tsskk

kk

sG

sG

sY

sYsG

vp

vp

vp

vp

vp

vp

o

o

o ++=

++=

++=

+== 22)1()(1

)()()(

)(

Przyjmując, że:

,T

kk vpn =ω ,

12

Tn =βω k=1, vpkTk2

1=β

G(s) można zapisać następująco:

22

2

22 212)(

nn

n

nn ss

k

sTsT

ksG

ω+βω+ω=

+β+=

a więc serwomechanizm jest elementem oscylacyjnym w którym współczynnik tłumienia β

zależy odwrotnie proporcjonalnie od pierwiastka kwadratowego z iloczynu stałej czasowej T

serwomotoru, jego współczynnika wzmocnienia kv i współczynnika wzmocnienia kp

regulatora (vpkTk2

1=β ).

+ –

yo kv s(Ts+1)

y(t) kp e(t) u(t)




26

Serwomechanizm z tachometrycznym sprzężeniem zwrotnym

W celu poprawy własności dynamicznych w serwomechanizmach stosuje się tachometryczne

sprzężenie zwrotne, czyli sprzężenie od prędkości (rys. 11c).

Rys.11c. Serwomechanizm z dodatkowym sprzężeniem prędkościowym

Transmitancja układu otwartego:

)1()1()1(

1

)1()(1

)(

)(

)()(

+=

++=

++

+=+

==sTs

k

kkkTss

kk

Tss

kksk

Tss

kk

ssGk

sG

sE

sYsG

t

vt

vpt

vp

vpt

vp

ot

oot

gdzie:

vpt

vpvt kkk

kkk

+=

1,

vptt kkk

TT

+=

1, czyli układ ze sprzężeniem prędkościowym ma

zmniejszony współczynnik wzmocnienia kvt oraz stałą czasową Tt w identycznej proporcji

względem kv oraz T.

Transmitancję serwomechanizmu ze sprzężeniem od prędkości można zapisać następująco:

22

2

2)(

ntntt

nt

ss

ksG

ω+ωβ+ω=

gdzie:

nvp

t

vtnt T

kk

T

k ω===ω β+=+

==β )1(2

1

2

1vpt

vp

vpt

vtt

t kkkkTk

kkk

kT

y(t) + –

+ –

yo kv s(Ts+1)

kp

kts

u(t) e(t)




27

Dla zachowania takiej samej wartości współczynnika tłumienia β w układzie ze

sprzężeniem tachometrycznym:

vpovpz

vpzt

t

kTkkTk

kkk

2

1

2

1

,

=+

β=β

gdzie:

kpo - wzmocnienie regulatora w układzie bez sprzężenia tachometrycznego,

kpz - wzmocnienie regulatora w układzie ze sprzężenia tachometrycznym.

A więc przyjmując: ,1 akkk vpzt =+ mamy ,2popz kak = oraz n

vpont a

T

kkaω==ω

2

.

Temat 6: Chwytaki i ich zastosowania.

Podstawowym zadaniem chwytaka (gripper) jest uchwycenie manipulowanego

przedmiotu, trzymanie go w czasie wykonywania zadań manipulacyjnych oraz uwolnienie

przedmiotu w miejscu docelowym.

Z punktu widzenia liczby palców chwytaki można podzielić na jedno- i wielopalcowe.

Efektor końcowy może też być wielochwytakowy. Występują także chwytaki do uchwytu

zewnętrznego (chwytanie na zewnątrz przedmiotu) i do uchwytu wewnętrznego (chwytanie

wewnątrz przedmiotu, na przykład po malowaniu części zewnętrznej przedmiotu) – rys.12. W

przemyśle stosowane są również chwytaki z przyssawkami podciśnieniowymi, np. do

podnoszenia tafli szklanych w hucie szkła. Chwytaki mogą być napędzane energią

elektryczną, pneumatycznie, hydraulicznie lub elektromagnetycznie, a przeniesienie napędu

może się odbywać za pomocą dźwigni (końcówka imadłowa), jarzma (końcówka typu

nożycowego), klina (końcówka typu palcowego), taśmy opasującej (rys.13). Siła chwytu

chwytaka może być stała, nastawialna lub regulowana automatycznie. Ze względu na sposób

trzymania detalu rozróżnia się trzymanie siłowe (przez wytworzenie siły docisku na detal),




28

kształtowe (przez zastosowanie odpowiednich nasadek na obiekt manipulowany) lub siłowo-

kształtowe. Chwytaki są wyposażane w sensory dotyku, zbliżenia siły, temperatury.

Efektorem końcowym może być końcówka malarska, narzędzie ślusarskie, spryskiwacz

lub w zależności od konkretnego procesu technologicznego.

Ogromna różnorodność obiektów manipulacji sprawia, że chwytaki są obecnie

najbardziej zróżnicowanym konstrukcyjnie zespołem manipulatora robota (rys.14).

Rys.12. Chwytak (od lewej): zewnętrzny i wewnętrzny (z www.robotyka.com)

Rys.13. Chwytak (od lewej): nożycowy, szczypcowy, imadłowy, opasujący

Typowym wyposażeniem chwytaków są: wymienne nakładki na końcówki chwytne,

czujniki oraz pomocnicze urządzenia i narzędzia technologiczne.

Rys.14. Przykłady chwytaków przemysłowych




29

Obecnie w przemyśle najczęściej spotykanym rodzajem napędu chwytaków są napędy

hydrauliczne lub pneumatyczne z dźwigniowym układem przeniesienia napędu. Siła chwytu

jest na ogół stała, ale nastawialna oraz siłowy sposób chwytania.

Podstawowe parametry chwytaków przemysłowych:

• udźwig nominalny, kg,

• siła chwytu, N,

• czas uchwycenia, s,

• czas uwolnienia obiektu, s,

• wymiary obiektu (minimalny i maksymalny), mm,

• rodzaj ruchu końcówek chwytnych.

Nasadki na końcówki chwytne

Na końcówki chwytne chwytaka nakładane są różnego rodzaju nasadki (end effector)

w zależności od kształtu, wymiarów, masy, jakości powierzchni, itp. manipulowanego detalu.

Nasadki te spełniają różne funkcje, na przykład: zapewnienie żądanego rodzaju styku

powierzchni detalu i końcówki chwytnej, cieplne izolowanie chwytaka, zapewnienie

miękkiego styku manipulowanego detalu i końcówki chwytnej.

Temat 7: Podstawy programowania robotów. Języki programowania robotów.

Z punktu widzenia oprogramowania roboty można podzielić na:

stało programowe (ze stałym programem) – robot realizuje stałe operacje wcześniej

zaprogramowane,

z programem dyskretnym punkt do punktu (point-to-point. PTP); w fazie

projektowania programu poruszania się robota, wszystkie punkty, które robot musi

osiągnąć są zapamiętywane, a po uruchomieniu tego programu robot porusza się z

punktu do punktu. W tej metodzie sterowania ważne jest osiągnięcie danego punktu, a

nie trasa (trajektoria) pomiędzy tymi punktami. Przykładowo, jeśli robot ma chwytak




30

ssący, to powinien on go włączyć, gdy chwytak zostanie umieszczony nad daną

częścią a następnie go wyłączyć, gdy chwytak znajdzie się w miejscu docelowym.

ze sterowaniem ciągłym (continuous path control, CP); takie sterowanie jest używane

w przypadku, gdy działanie robota jest konieczne w każdym punkcie, jak na przykład

malowanie natryskowe, cięcie ciągłe, spawania ciągłe lub klejenie w sposób ciągły.

Robot jest zaprogramowany off-line lub on-line i wykorzystywany w czasie

rzeczywistym – operator robota przez prowadzenie końcówki po zadanej trajektorii

naucza robota;

roboty inteligentne wyposażone w sensory dotyku, wzroku, dźwięku, które

umożliwiają detekcję zmian warunków pracy i adaptację do zmieniającego się

środowiska pracy.

Podstawy programowania manipulatorów

Automatyczny ruch między nauczonymi punktami w przestrzeni roboczej realizowany

jest za pomocą komend ruchu. Rodzaj ruchu miedzy dwoma punktami wynika z przyjętej

strategii zwanej interpolacją trajektorii. Podstawowe rodzaje interpolacji ruchu efektora w

przestrzeni zadania:

• Ruch od punktu do punktu (Point to Point) – efektor jest prowadzony wzdłuż

najkrótszej ścieżki łączącej oba punkty,

• Ruch liniowy – efektor jest prowadzony wzdłuż prostej łączącej oba punkty w

przestrzeni zadania,

• Interpolacja typu kołowego - efektor jest prowadzony wzdłuż łuku okręgu łączącego

oba punkty w przestrzeni zadania.

Wirtualne programowanie robotów w Microsoft Robotics Studio, ABB Robot Studio,

Roboguide (GE Fanuc)

Microsoft Robotics Studio jest platformą software'ową opartą na Windows mającą

umożliwi ć tworzenie oprogramowania dla robotów, zarówno prawdziwych jak i symulowanych.




31

Program jest kompatybilny z rozwiązaniami sprzętowymi takimi jak Roomba i Lego Mindstorms

NXT. Robotics Studio zawiera trójwymiarowe narzędzie do symulowania robotów, środowisko

uruchomieniowe zorientowane na usługi, które pozwala na komunikację z różnymi rodzajami sprzętu

a także język programowania pozwalający początkującym programistom tworzyć aplikacje

przeciągając ikonki. W nowej wersji ulepszono sam język programowania a także edytor kodu.

Dodano rozpoznawanie mowy i obrazów.

Microsoft Robotics Studio umożliwia tworzenie oprogramowania dla robotów, zarówno

prawdziwych jak i symulowanych. Program jest kompatybilny z rozwiązaniami sprzętowymi takimi

jak Roomba i Lego Mindstorms NXT. Robotics Studio zawiera trójwymiarowe narzędzie do

symulowania robotów (bazujące na silniku symulatora fizyki w środowisku 3D), środowisko

uruchomieniowe zorientowane na usługi, które pozwala na komunikację z różnymi rodzajami sprzętu,

a także język programowania pozwalający nawet początkującym programistom w prosty i intuicyjny

sposób tworzyć aplikacje.

Microsoft Robotics Studio to przede wszystkim komponenty wielokrotnego użycia,

standardy definiujące sprzęt, praca rozproszona i równoległa, pełna symulacja w wirtualnych świecie

bazującym na rzeczywistym z pełnym odwzorowaniem fizyki oraz specjalny język programowania,

który jest wizualnym językiem, dzięki czemu jest prosty w użyciu.

Produkt Microsoft Robotics Studio składa się z trzech podstawowych elementów, które

przedstawione są na poniższym rysunku 14a:

Rys.14a. Elementy składowe Robotics Studio

1. Runtime, czyli silnik całego rozwiązania, który pozwala na oprogramowanie robota.

2. Narzędzia, które pozwalają oprogramować urządzenie.

3. Usługi i przykłady, czyli pełna dokumentacja wraz z przykładami jak należy pracować i jak

korzystać z dostarczonych usług oraz same usługi.




32

Sam runtime składa się z dwóch najważniejszych elementów:

• CCR (Concurrency and Coordination Runtime) – upraszcza pisanie

asynchronicznych aplikacji dzięki możliwości uniknięcia ręcznego sterowania

wątkami, blokadami, semaforami, itd.

• DSS (Decentralized Software Services)– lekki model aplikacji opartych na

usługach (SOA Services Oriented Application), który wspiera model

programowania REST (Representational State Transfer).

Dla osoby piszącej aplikacje, która ma symulować pracę robota usługi zdefiniowane

są na pewnym poziomie abstrakcji, gdzie usługi mogą reprezentować dowolny z elementów

jak:

• Sprzęt – sensory, aparaty, etc.

• Oprogramowanie – interfejs użytkownika, miejsce składowania danych, etc.

• Agregacje – mash-upy, połączenie sensorów, etc.

Programowanie zachowań robotów możliwe jest przy wykorzystaniu Visual Studio (w

tym również wersji Express). Wspierane są wszystkie języki .NET (C++, C#, VB.NET) oraz

dodatkowo IronPython. Usługi dostępne dla poszczególnych robotów można konfigurować

przy pomocy przeglądarki internetowej, dzięki czemu możliwe jest również konfigurowanie

urządzeń zdalnie. Przeglądarka internetowa pozwala na oglądanie stanów, w jakim są usługi,

przekonfigurowanie ich, włączenie czy też wyłączenie.

Środowisko do wizualnej symulacji pozwala na tworzenie wizualizacji 3D

(trójwymiarowej) wraz z zachowaniem wszelkich praw fizycznych. Dodatkowo na rynku jest

wiele firm, które tworzą różne dodatki, aby rozszerzyć standardowe zachowania fizyczne. Do

całego zestawu oprogramowania dołączona jest bardzo obszerna pomoc w tym ponad 30

tutoriali (przewodników), zestaw usług dla najbardziej popularnych robotów, zestaw bibliotek

i funkcjonalności do obsługi przechwytywania obrazu z kamer, syntezy mowy czy obsługi

GPS.




33

Przykładowa aplikacja wygląda następująco:

Rys.15a. Przykładowa aplikacja wykonana w Robotics Studio

Wśród standardowych robotów wspierane są między innymi:

• LEGO® Mindstorms® RCX

• LEGO® Mindstorms® NXT

• fischertechnik®

• MobileRobots Pioneer P3™

ale to nie wszystko. Dodatkowo po zainstalowaniu sterowników możemy pracować między

innymi z następującymi robotami:

• Robosoft robuLAB10 – oparty na procesorach Celeron 600 Mhz i Pentium 1.4 GHz,

• CoroWare CoroBot – oparty na procesorach 1.2 GHz wraz z WiFi oraz ramieniem,

czy też Robot

• Create – z wbudowanymi 32 sensorami oraz gniazdem rozszerzeń:

Podsumowanie o Robotics Studio

Tworzenie aplikacji dla robotów i praca z robotami stało się dzięki Robotics Studio

zdecydowanie prostsze. Jedyne koszty jakie musimy ponieść to koszty sprzętu (ale to również

nie są wielkie pieniądze, przykładowo iRobot Create kosztuje w podstawowej wersji ok. 130

$).




34

Microsoft Robotics Studio dostarcza kompletny zestaw komponentów do pracy z

urządzeniami. A dla zwykłego użytkownika najważniejszą sprawą jest kwestia licencji. W

przypadku Robotics Studio licencja jest bezpłatna do celów niekomercyjnych a do

wykorzystania komercyjnego to ok. 400 $.

Programowanie robotów przemysłowych w ROBOGUIDE (Fanuc Robotics)

Firma Fanuc Robotics dla swoich robotów oferuje dwa pakiety oprogramowania:

WinOLPC (lub w wersji rozszerzonej WinOLPC+) oraz ROBOGUIDE.

WinOLPC jest prostym programem narzędziowym służącym do utworzenia programu

sterującego, a następnie jego zapisania w formacie odpowiednim dla robota, bez możliwości

przetestowania gotowego programu. Rozszerzona wersja programu WinOLPC+ umożliwia

jedynie podgląd punktów w przestrzeni 3D na ekranie monitora.

ROBOGUIDE jest kompletnym wirtualnym środowiskiem przeznaczonym do

tworzenia i testowania programów dla robotów. Umożliwia symulowanie na ekranie

komputera PC ruchów robota wykonującego program sterujący. W skład pakietu wchodzi

wirtualny ręczny programator, wirtualny kontroler robota oraz trójwymiarowe środowisko

graficzne, odpowiedzialne za wizualizacje jego pracy.

Programowanie obejmuje następujące kroki:

• przygotowanie środowiska i robota (zaprojektowanie wirtualnego robota, wybór

oprogramowania, w które wyposażony ma być robot, wybór rodziny i typu robota,

konfiguracja zewnętrznych osi),

• przygotowanie elementów z otoczenia robota (wywołanie biblioteki gotowych

elementów dostarczonych razem z oprogramowaniem ROBOGUIDE i ich dodanie

(tych które spełniają założenia projektu); program zawiera bazę danych robotów i

dodatkowych komponentów (chwytaki, urządzenia współpracujące - stoły i

przenośniki taśmowe, palety, paczki). Baza ta zawiera informacje o działaniu i




35

wyglądzie tych elementów, dlatego symulowane środowisko pracy robota może być

przygotowane bardzo realistycznie i oddawać wygląd i działanie rzeczywistego

systemu produkcyjnego. Istnieje możliwość importu własnych modeli komponentów

na przykład z oprogramowania CAD. Program akceptuje pliki z rozszerzeniem CSB

lub IGS.

• ustalenie właściwości detali w projekcie (np. wymiarów przenoszonego przedmiotu),

• wybór i ustalenie właściwości chwytaka,

• ‘związanie’ odpowiednich elementów robota (chwytak-element procesowany) i

środowiska (np. robot-stół),

• uruchomienie symulacji (rys.16a).

Rys.15a. Przykładowa aplikacja wykonana w ROBOGUIDE (www.johnhart.com.au)

ROBOGUIDE daje m.in. możliwość weryfikacji zasięgu robota, sprawdzenia

przestrzeni kolizyjnej z otoczeniem oraz dokładnego określenia czasu cyklu. Program

pozwala na dokonywanie rozmaitych symulacji, których celem może być sprawdzenie wielu

wariantów algorytmu sterującego i jego wydajności, a w szczególności dostrzeżenie

konieczności wprowadzenia usprawnień i optymalizacji. Dodatkową funkcją jest możliwość

zrealizowania filmu prezentującego prace symulowanego robota, który może być doskonała

demonstracja możliwości przygotowywanego stanowiska.

Zastosowanie tego oprogramowania redukuje czas przestoju do minimum – po

symulacyjnym przetestowaniu aplikacji wystarczy przenieść programy sterujące do robota.




36

Programowanie w Robot Studio (ABB)

W skład oprogramowania RobotStudio firmy ABB wchodzą:

• RobotStudio,

• RobotWare, do tworzenia i uruchamiania systemów robotycznych,

• RobotStudio Online, do konfiguracji.

Standardowy osprzęt robota IRC5

• Robot przemysłowy firmy ABB,

• Moduł sterujący zawierający komputer główny, który steruje ruchem manipulatora.

Zawiera RAPID (język programowania robota)7 i obsługę sygnałów. Jeden moduł

sterujący może być zastosowany do od 1-4 modułów napędowych.

• Moduł napędowy zawiera układy elektroniczne, które zasilają silniki manipulatora.

Jeden moduł może zawierać do dziewięciu jednostek napędowych z których każdy

może sterować jednym połączeniem manipulatora. Ponieważ jeden robot

manipulacyjny zawiera sześć stawów, więc wystarczy jeden moduł dla robota

manipulacyjnego.

• FlexController – obudowa robota IRC5. Zawiera jeden moduł sterujący i jeden

moduł napędowy dla każdego robota w systemie.

• FlexPendant urządzenie programujące ‘online’ podłączone do modułu sterującego.

• Narzędzia specjalistyczne montowane na robocie, a przeznaczone do wykonywania

takich zadań jak chwytanie, cięcie, spawanie.

• Manipulator pozycji; ruchome urządzenie do pozycjonowania procesowanego

detalu.

• FlexPositioner; to drugi manipulator robota działający jako manipulator pozycjonera.

Jest sterowany przez ten sam moduł sterowania manipulator pozycjonera.

7 Dla robotów IRC5, program RAPID jest zbiorem plików-modułów i plików z rozszerzeniem .pgf. Gdy program zostanie załadowany wszystkie stare moduły programowe są zastępowane przez moduły wskazywane przez pliki z rozszerzeniem .pgf.




37

• Stacjonarne elementy nieruchome.

RobotStudio wykorzystuje do programowania Microsoft Visual Studio Tools for

Applications (VSTA) jako zintegrowane środowisko (Integrated Development Environment,

IDE). Pozwala to na dodanie przez użytkownika własnego kodu napisanego w C# lub

VB.Net.

Rys.16a. Przykładowa aplikacja wykonana w RobotStudio

(http://www.adaptiveautomation.co.uk/Images/rs%20screen.gif )

Programowanie w RobotStudio polega na:

• Zaprogramowaniu stanowiska roboczego,

• Imporcie/kreacji obiektów współpracujących z tym stanowiskiem8,

• Optymalizacji projektu,

• Sprawdzeniu projektu od początku do końca.

Od strony użytkownika programowanie wszystkich zadań do wykonania przez robot polega

na wywołaniu odpowiedniego punktu z rozbudowanego menu programu RobotSudio.

Programowanie robota w Robot Studio wymaga wykonania następujących kroków:

1. Utworzenie celów (w wymaganych miejscach, a następnie wstawienie ich do

utworzonych ścieżek) i ścieżek (pasujących do wymaganego kształtu).

8 Sam robot nie wystarcza do zrobotyzowania procesu produkcyjnego. Konieczne jest jeszcze wyposażenie dodatkowe.




38

2. Sprawdzenie czy cele są zorientowane w sposób, jak najbardziej efektywny do

wykonywanych zadań. Jeśli nie, należy dokonać reorientacji celów.

3. Sprawdzenie osiągalności celów na ścieżce przez robot i jego narzędzia.

4. Synchronizacja programu z wirtualnym regulatorem (RAPID generuje kod z obiektów

RobotSudio i umożliwia symulację).

5. Wyedytowanie i poprawienie instrukcji tekstowych (jeśli potrzeba).

6. Sprawdzenie czy nie zachodzą kolizje robota lub jego narzędzi ze środowiskiem; jeśli

tak – skorygować rozmieszczenie i orientację robota i jego narzędzi.

7. Przetestować program.

Symulacja i testowanie programu obejmuje następujące kroki:

1. Uruchomienie symulacji. Symulacje są uruchamiane z regulatorem wirtualnym,

chociaż będą uruchamiane na regulatorze rzeczywistym (FlexControllers).

2. Detekcja kolizji; program wykrywa i oznacza kolizje obiektów.

3. Obsługa zdarzeń; przykładowo, zdarzenie może wystąpić, gdy wystąpi próba

dołączenia jednego obiektu do innego, podczas, gdy one kolidują ze sobą.

4. Sprawdzenie wejść i wyjść. Wejścia i wyjścia są ustawiane albo przez robota, albo

przez zdarzenia. Symulator I/O pozwala ustawiać wejścia ręcznie, co umożliwia

szybkie ich sprawdzenie.

5. Monitorowanie symulacji – śledzenie ścieżki, ruchu po ścieżce i prędkości.

6. Pomiar czasu dla procesowanego przedmiotu.

Załadowanie zaprojektowanego systemu do rzeczywistego kontrolera

Zaprojektowany system wirtualny nie może być bezpośrednio załadowany do

regulatora rzeczywistego. System taki musi być utworzony bezpośrednio z klawiatury

RobotWare, a regulator musi być typu IRC5, ponieważ do starszych wersji nie może być




39

załadowany. Programy RAPID są normalnie zapamiętywane w systemie, który jest

uruchamiany na wirtualnym regulatorze stacji.

Temat 8: Nawigacja pojazdami autonomicznymi.

Robot mobilny jest urządzeniem przeznaczonym do realizacji funkcji lokomocyjnych

tzn. bezkolizyjnego ruchu (płynięcie, pełzanie, bieg, skoki, chód) w określonym środowisku.

Są wykorzystywane do sprzątania, transportu, rozbrajania materiałów wybuchowych,

eksploracji innych planet. Z dużą dozą prawdopodobieństwa można stwierdzić, że

współczesne prace w robotyce będą ukierunkowane właśnie na roboty mobilne (osobiste,

usługowe).

Roboty mobilne najczęściej wyposażone są w gąsienice lub różnego rodzaju koła

(szwedzkie, stanfordzkie, kastor, sferyczne-kulkowe, rys. 17), bowiem toczenie jest

najbardziej efektywną formą lokomocji. Z ruchów naturalnych chód dwunożny jest zbliżony

do toczenia wielokąta (koła). Trzy koła gwarantują stabilność robota, a zastosowanie większej

ilości kół wymaga stosowania podatnego zawieszenia.

Rys.17. Koła szwedzkie – a), koło Kastora –b)

Koło szwedzkie zwane także kołem wielokierunkowym, stosowane jest w robotach

mobilnych, Dzięki nim robot staje się robotem holonomicznym. Koło szwedzkie posiada na

swoim obwodzie zamontowane w odpowiedni sposób (pod kątem 45 stopni; w kole

stanfordzkim pod kątem 90 stopni do piasty) dodatkowe rolki. Umożliwiają one ruch koła w

dowolnym kierunku, bez względu na to, jak koło jest zorientowane w przestrzeni. Dzięki

temu umożliwia ruch robota w dowolnym kierunku.




40

Roboty mobilne mogą być dwu-, trzy-, cztero- i sześciokołowe (rys.18), a w bardziej

złożonych konstrukcjach – wielokołowe.

Rys.18. (od lewej) Mars Rover; All-Terrain Hex-Legged Extra-Terrestrial Explorer (projekt przewidziany do

eksploracji Księżyca); mały robot mobilny TALON; robot złożony Shrimp III

W klasie robotów mobilnych mieszczą się także roboty kroczące i latające. Robot kroczący

jest urządzeniem przeznaczonym do realizacji funkcji lokomocyjnych zwierząt i owadów

mających kończyny lub odnóża. Robot taki porusza się w sposób dyskretny, który jest

realizowany za pomocą dwóch, trzech, czterech, sześciu lub ośmiu nóg.

Robot mobilny wyznacza swój kurs przez nadążanie za ścieżką przewodową lub za

sygnałem radarowym. Pierwsza metoda jest dobrze sprawdzona i wypróbowana –

odpowiednie czujniki wykrywają przewód sygnałowy umieszczony w podłożu, a układy

robota dokonują ewentualnej korekcji ruchu pojazdu mobilnego-robota (jeśli śledzenie ścieżki

zachodzi w pętli zamkniętej; w przypadku pętli otwartej robot nie będzie automatycznie

korygował trajektorii podczas zmian w otoczeniu). W prowadzeniu radarowym ścieżkę

pojazdu formułuje radar.

Robot mobilne są wyposażone w sensory odległości, dalmierze laserowe oraz systemy

wizyjne do rozpoznawania jednowymiarowego (z jedną ruchomą kamera) oraz

dwuwymiarowego (z dwoma ruchomymi kamerami). Informacje te są wykorzystywane do

planowania bezkolizyjnej trajektorii ruchu zapewniającej osiągnięcie celu przez robota. Robot

mobilny może być sterowany przez operatora lub posiadać autonomiczny, niezależny od

operatora system sterowania.




41

Temat 9: Robotyczne układy holonomiczne i nieholonomiczne w odniesieniu do zadania

planowania i sterowania ruchem. Sterowanie pozycyjno-siłowe.

Z ruchem robotów mobilnych nierozerwalnie związane jest pojęcie holonomiczności i

ograniczenia Pfaffa. Holonomiczność - najprościej rzecz ujmując oznacza brak ograniczeń na

przeprowadzanie ruchu. Robot jest holonomiczny, jeśli może zmienić kierunek swojego ruchu (swoją

orientację) w miejscu. Pojęciem przeciwstawnym jest nieholonomiczność. Najprostszym przykładem

robota nieholonomicznego jest samochód. Podczas parkowania należy wykonać serię manewrów, aby

ustawić się równolegle do krawężnika, nie można bowiem obrócić samochodu w miejscu, aby ustawić

go przy krawężniku (wtedy samochód byłby robotem holonomicznym).

Holonomiczność (nieholonomiczność) wpływa na sposób wyznaczania trasy robota.

Sterowanie pozycyjno-siłowe

Pomiar siły i sterowanie ze sprzężeniem od siły odgrywa niezwykle ważną rolę w

robotach usługowych i osobistych, które w odróżnieniu od robotów przemysłowych, pracują

w środowisku mało uporządkowanym i zmieniającym się dynamicznie.

Jeżeli manipulator nie wchodzi w kontakt ze swym otoczeniem, to wystarczające jest

sterowanie pozycyjne. W sterowaniu czysto pozycyjnym nie zadaje się i nie mierzy siły, ale

jedynie zadaje się i mierzy pozycję. Układy sterowania pozycją są to układy nadążne.

Zadaniem takiego układu jest doprowadzenie uchybu regulacji do wartości minimalnej –

najlepiej do zera. Jeżeli wartość uchybu osiąga zero, to efektor końcowy idealnie śledzi

trajektorię zadaną. Jednak najczęściej wyzerowanie tego uchybu w trakcie ruchu jest

niemożliwe i dlatego dąży się do jego minimalizacji. Sterowanie pozycją jest stosowane

wszędzie tam gdzie robot nie styka się z żadnymi przeszkodami, np. lakierowanie oraz tam

gdzie z góry wiadomo, jak rozłożone są przeszkody, np. dla robotów do paletyzacji.

Sytuacja ulega drastycznej zmianie, jeżeli efektor końcowy wchodzi w interakcję z

otoczeniem, na przykład w takich zadaniach jak: chodzenie, bieganie, pływanie, chwytanie,

manipulowanie, itp. W zadaniach takich tradycyjne roboty radzą sobie znacznie gorzej od

swoich biologicznych odpowiedników. W tych zadaniach ważne jest aby robot był w stanie




42

mierzyć i kontrolować siły interakcji występujące miedzy nim a otoczeniem. Zadanie takie

nazywa się zazwyczaj sterowaniem siłowym.

W sytuacji, gdy efektor końcowy wchodzi w interakcję z otoczeniem, dążenie do

zredukowania uchybu między wartością zadaną a wartością aktualną pozycji efektora

końcowego doprowadziłoby do zwiększenia sił oddziaływań miedzy efektorem końcowym a

przeszkodą, a w konsekwencji do zniszczenia efektora końcowego lub przeszkody. Dlatego w

układach sterowanych wyłącznie pozycyjnie stosuje się zabezpieczenia krańcowe.

W operacjach montażowych czas kontaktu efektora z elementami otoczenia jest na

tyle długi, że te fragmenty cyklu pracy nie mogą być pomijane, tak jak to było w klasycznym

sterowaniu pozycyjnym. W procesie łączenia detali robot musi generować odpowiednie siły,

zwykle w kierunkach prostopadłych do łączonych powierzchni. Jednocześnie należy

kontrolować położenie efektora w kierunkach równoległych do tych powierzchni. Najprostsze

jest realizowanie takiego zadania dla robota o strukturze kartezjańskiej, osie ruchu którego są

prostopadłe lub równoległe do powierzchni kontaktowej (powierzchni więzów).

Sterowanie siłowe ma zapobiec takim sytuacjom, nawet jeśli robot natrafi na

przeszkody. W sterowaniu siłowym wyróżnia się dwie metody:

• pasywną, czyli taką w której zestaw podatnych elementów mechanicznych

odkształca się w ograniczonym zakresie podczas zetknięcia efektora końcowego z

detalem lub przeszkodą, np. wkręcanie śrub o określonej długości. Podstawową

wadą systemu pasywnego jest to, że jest on ściśle dostosowany do wykonywania

określonego zadania. W metodzie pasywnej pomiary siły nie są wykonywane i

wykorzystywane w sterowniku,

• aktywną, czyli z pomiarem siły oddziaływania i jej wykorzystaniem w regulatorze

co m.in. pozwala na uzyskiwanie zmiennej podatności manipulatora i

zmodyfikowanie jego ruchu. Aktywne sterowanie siłowe umożliwia m.in. pchanie

bądź ciągnięcie przedmiotów z zadaną siłą. Aktywne sterowanie siłowe, pomimo

faktu, że jest przydatne i potrzebne jest obecnie słabo rozpowszechnione w

robotyce przemysłowej.




43

Z reguły mianem regulatora pozycyjno-siłowego określa się regulator, w którym

kierunek sterowania pozycyjnego (wartością zadaną jest pozycja lub prędkość) jest

ortogonalny (prostopadły) do kierunku sterowania siłowego (wartością zadaną jest siła lub

moment siły). Pomiary sił są wykonywane za pomocą tensometrów.

W manipulatorach są trzy miejsca, gdzie typowo mierzy się siły:

między efektorem końcowym a detalem; czujnik pomiarowy umieszcza się zwykle w

nadgarstku robota (rys.9a),

pomiędzy poszczególnymi członami manipulatora,

pomiędzy szczękami chwytaków; zwykle mierzona jest siła normalna wywierana

przez szczęki na obiekt. Dzięki pomiarowi siły w szczękach chwytaka możliwe jest uniesienie

przedmiotu bez ryzyka jego uszkodzenia. Chwytak może zacisnąć się wystarczająco lekko,

aby nie zmiażdżyć przedmiotu (np. jajka), ale i wystarczająco mocno, aby nie dopuścić do

jego wyśliźnięcia.

Sztywność, tłumienie, bezwładność, impedancja i admitancja mechaniczna

We współczesnej mechanice używane są takie pojęcia jak: sztywność, tłumienie,

bezwładność, impedancja i admitancja mechaniczna. Dlatego też wymagają one jasnego i

precyzyjnego określenia.

Sztywność to wielkość fizyczna określająca zdolność ciała do przeciwstawiania się

odkształceniu wywołanemu przez silę zewnętrzną.

Podatność zaś jest odwrotnością sztywności.

Najprostszym przykładem ciała charakteryzującego się małą sztywnością jest

sprężyna. Zależność pomiędzy siłą Fs wywieraną na sprężynę o charakterystyce liniowej, a

odkształceniem sprężyny X wyraża wzór:

)()( tKXtFs =

gdzie K jest współczynnikiem proporcjonalności, zwanym sztywnością. Tłumienie B wiąże z

kolei siłę Fv i prędkość dtdX :




44

dt

tdXBtFv

)()( =

Z zależności tej wynika, że jeśli prędkość jest stała ( constdttdX =)( ) to siła jest również

stała.

Tłumienie powoduje w szczególności gaśniecie nie podtrzymywanych drgań

mechanicznych. Zjawisko to jest wykorzystywane w zawieszeniu samochodowym, gdzie rolę

elementów tłumiących drgania zwykle pełnią stawiające opór amortyzatory (rys.19).

Miarą bezwładności w ruchu postępowym jest masa M, a w ruchu obrotowym –

moment bezwładności J. Zależność wiążąca masę i przyspieszenie w ruchu postępowym

wynika z drugiego prawa dynamiki Newtona:

2

2 )()(

dt

tXdMtFa =

Impedancja mechaniczna ZM określa związek między siłą F(t) – wyjściem a

prędkością )(tX& - wejściem, zawierający wszystkie trzy opisane wcześniej elementy:

sztywność, tłumienie i bezwładność. Związek między przyłożoną siłą F, a przemieszczeniem

X masy M można więc zapisać jako:

)()()(

)(2

2

tKXdt

tdXB

dt

tXdMtF ++=

Rys.19. Amortyzator jako przykład mechanicznego elementu oscylacyjnego

Stosując do tego równania przekształcenie Laplace’a (zakładając zerowe warunki

początkowe) otrzymuje się następujące równanie operatorowe:

)()()( sXs

KBMsssF ++=




45

z którego uzyskuje się impedancję mechaniczną ZM(s) zdefiniowana następująco:

)(

)()(

ssX

sFsZM =

s

KBMssZM ++=)(

Obiekt impedancyjny to taki, w którym przepływ na wejściu generuje siłę na wyjściu.

Impedancja mechaniczna jest miarą oporu stawianego przez dany układ pod działaniem siły.

Mechaniczną admitancję A definiuje się jako odwrotnością impedancji (jest to więc

związek między prędkością )(tX& - wyjściem a siłą F(t) - wejściem). Generalnie o obiekcie

typu admitancyjnego można mówić, kiedy siła czynna na wejściu generuje przepływ

(prędkość) na wyjściu. Ponieważ na wejściu systemu jest siła to ona ‘zezwala’ (admit9) na

ruch – stąd nazwa: admitancja.

Pojęcia impedancji i admitancji w robotyce mogą być również rozumiane jako

bezpośrednie przeniesienie pojęć „elektrycznych”, ale:

• manipulator jest dynamicznym obiektem nieliniowym, można mówić jedynie o

lokalnej impedancji lub admitancji mechanicznej (zachodzi potrzeba linearyzacji lub

doświadczalnego wyznaczenia parametrów)

• manipulator jest obiektem operującym w przestrzeni, należy posługiwać się pojęciami

macierzy impedancji (admitancji).

• definicja tych pojęć zależy od wyboru analogii pomiędzy układami mechanicznymi a

elektrycznymi.

9 admit ma języku angielskim następujące znaczenia: przyznać; uznać; dopuszczać; wpuszczać; dozwolić




46

Sterowanie impedancyjne polega na sprecyzowaniu jaka powinna być impedancja w

określonym miejscu kontaktu robota z otoczeniem i uzyskiwaniu w miarę możliwości takiej

impedancji. Zmiana impedancji powoduje zmianę częstotliwości naturalnych oscylacji

łańcucha kinematycznego.

Zastosowanie sterowania impedancyjnego w robotyce

• wspólna realizacja operacji przez grupę robotów

• testowanie właściwości otoczenia robota

• roboty kroczące, biegające i skaczące

Układy sterowania siłowego robotów

Można wyróżnić tutaj kilka sytuacji:

W przypadku swobodnego ruchu manipulatora z założeniem braku możliwości

kontaktu z przeszkodami realizowane jest przez regulator czysto pozycyjny (serwomechanizm

pozycyjny).

W przypadku kontaktu z otoczeniem stosuje się najczęściej tylko regulację siłową, tzn.

taką, która wykorzystuje ujemne sprzężenie zwrotne od siły wywieranej na otoczenie, a

pozostałe wielkości zadane są konsekwencją siły zadanej. Regulacja ta pozwala na zadanie

niezerowej siły. Przykładem regulacji siłowej jest regulacja admitancyjna, gdzie odpowiedź

manipulatora na siłę Fm wywieraną na jego końcówkę kształtowana jest przez dobór

admitancji A i określenie siły zadanej Fd (rys.20).

Rys.20 Układ regulacji admitancyjnej FF EAX ⋅=& ; Xm , Fm – rzeczywiste wartości pozycji robota i siły,

odpowiednio.

W trzecim przypadku ruchu ze spodziewanym kontaktem z otoczeniem (efektor

końcowy zacznie za chwilę frezować) możliwe są różne rozwiązania, które łączy jedna




47

wspólna cecha. Regulator ma za zadanie osiągać pozycję bądź prędkość zadaną, o ile nie ma

kontaktu z przeszkodami. Jeżeli taki kontakt nastąpi, to trajektoria zadana jest modyfikowana

o wartość zależną od siły wywieranej na otoczenie. W fazie przejściowej między ruchem

swobodnym a kontaktem z otoczeniem, siła zadana zawsze musi być równa zeru. W

przeciwnym przypadku, przy braku siły reakcji od przeszkody, siła zmierzona byłaby równa

zeru, a uchyb stanowiący różnicę miedzy siłą zadaną a zmierzoną byłby równy właśnie tej sile

zadanej, a więc układ przyspieszałby zgodnie z drugim prawem dynamiki Newtona. Możliwe

są różne modyfikacje wartości siły zadanej:

Z regulatorem sztywności (rys.21);

można wyróżnić dwa tryby pracy regulatora sztywności. W sytuacji, w której końcówka

chwytaka nie styka się z otoczeniem, siła zmierzona Fm jest równa zeru. Wówczas

regulator śledzi zadane pozycje na ścieżce Xd, tak jak czyni to proporcjonalny regulator

położenia. W momencie, gdy manipulator zetknie się z przeszkodą, wartość

bezwzględna siły Fm wzrośnie, co poprzez sztywność K wpłynie na modyfikację

wartości XK. Regulator zacznie wiec odchodzić od śledzenia trajektorii zadanej, gdyż

manipulator „poddaje” się sile wywieranej na jego końcówkę, co pozwala na uniknięcie

sytuacji charakterystycznej dla regulatorów pozycyjnych, w której robot musiałby być

awaryjnie wyłączony ze względu na przekroczenie dopuszczalnego prądu w silniku.

Rys.21. Układ regulacji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym od siły poprzez regulator o współczynniku

wzmocnienia K1 , gdzie K oznacza sztywność

Z regulatorem tłumienia (rys.22);

Regulator tłumienia jest analogiem regulatora sztywności, z tym, że zamiast pozycji

zadanej, jest prędkość zadana, a zamiast sztywności w pętli siłowej – tłumienie.




48

Rys.22. Układ regulacji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym od siły poprzez regulator o współczynniku

wzmocnienia B1 , gdzie B oznacza sztywność

Z regulatorem impedancyjnym (rys.23);

Zasadniczym zadaniem, jakie spoczywa na regulatorze impedancyjnym jest osiąganie i

utrzymywanie założonej mechanicznej impedancji manipulatora. Regulator

impedancyjny stanowi uogólnienie przedstawionych poprzednio regulatorów sztywności

i tłumienia poprzez dodanie składnika związanego z inercją. Taki schemat układu

regulacji nazywa się układem regulacji impedancyjnej bazującej na położeniu. Wówczas

można uzyskać złożoną odpowiedź manipulatora na wywieraną siłę, kształtowaną przez

dobór, nie tylko samej sztywności lub samego tłumienia, ale całej impedancji

mechanicznej.

Rys.23. Układ regulacji z regulatorem impedancyjnym

Równoległa regulacja pozycyjno-siłowa (rys.24);

Równoległy regulator pozycyjno-siłowy (prędkościowo-siłowy) stanowi rozbudowę

regulatora tłumienia, z tym, że do tłumienia B w pętli siłowej, które może być

utożsamiane ze składnikiem części proporcjonalnej (P) omawianego regulatora,

dochodzi całkowanie, ze współczynnikiem C, co w sumie daje sprzężenie typu PI w

pętli siłowej. Dodanie całkowania powoduje, że uchyb siły będzie zerowany w sytuacji




49

kontaktu, nawet wówczas, gdy prędkość zadana będzie niezerowa (o ile jej wartość

bezwzględna nie będzie rosła).

Rys.24. Układ regulacji z regulatorem PI

Regulacja wielowymiarowa

W regulacji wielowymiarowej definiuje się pewną przestrzeń odniesienia (układ

zadania) złożoną z 6 kierunków: 3 związanych z translacją (liniowych) i 3 związanych z

rotacją (obrotowych). Dla każdego z kierunków z osobna można dobrać któreś z

podstawowych praw sterowania. Najczęściej realizowany jest model hybrydowy, w którym

dla każdego kierunku alternatywnie wybiera się tylko regulację pozycyjną (prędkościową)

bądź tylko regulacją siłową.

Przykładem regulacji wielowymiarowej jest hybrydowy regulator pozycyjno-siłowy, a

właściwie prędkościowo-siłowy, składający się z dwóch torów sterowania: prędkościowego i

siłowego (rys. 25).

Rys.24. Hybrydowy układ regulacji prędkościowo-siłowy

Koncepcja takiego układu regulacji powstała z przyjęcia, że w każdym kierunku jest

to samo prawo regulacji, a jego parametryzacja decyduje o tym, czy jest to regulacja

pozycyjna, siłowa czy regulacja równoległa (superpozycja regulacji pozycyjnej i siłowej).

W układzie przedstawionym na rys.24 podejmowana jest decyzja, w którym kierunku

ruchu będzie zadana prędkość, a w którym – siła. O podziale decyduje diagonalna,




50

kwadratowa macierz selekcji S. Elementy macierzy leżące na przekątnej diagonalnej

przyjmują wartości 0 lub 1 w zależności od tego, do którego toru regulacji przyporządkowany

jest odpowiadający im kierunek ruchu. W torze siłowym o relacji pomiędzy uchybem siły EF

a prędkością FX& decyduje macierz admitancji A.

Rysunek 25 przedstawia nieco inny układ sterowania pozycyjno-siłowego (dla robota

kartezjańskiego), w porównaniu do układu z rys.24.

Zadana trajektoria pozycyjno-siłowa

Rys.25. Układ sterowania pozycyjno-siłowego

Diagonalne macierze przełącznikowe spełniają warunek: Sx+Sfx=1n

Sygnał s jest zapamiętany wraz z trajektorią pozycyjno-siłową i dodatkowo może być

korygowany na podstawie sygnałów z czujników sił lub czujników położenia (prędkości).

Dla manipulatora o dowolnej strukturze (czyli nie tylko kartezjańskiej) można

wyznaczyć tzw. reprezentację kartezjańską. Dla takiej reprezentacji można zastosować

strukturę sterowania analogiczną do układu sterowania hybrydowego manipulatora

kartezjańskiego (rys.25). Nazywa się to podejście klasycznym sterowaniem hybrydowym, w

którym zaleca się stosowanie regulatora PD w części odpowiadającej za śledzenie trajektorii

pozycyjnej oraz regulatora PI w części odpowiadającej za śledzenie trajektorii siłowej. Ich

nastawy dobierane są doświadczalnie.

Ten układ regulacji można zaliczyć do klasy selekcyjnych układów regulacji

automatycznej [1]. Selekcji wielkości regulowanej dokonują macierze Sx oraz Sfx.

Sterowanie impedancyjne a sterowania pozycyjno-siłowe




51

Cechą różniącą sterowanie impedancyjne od sterowania pozycyjno-siłowego jest

usiłowanie wpływania na interakcyjne właściwości manipulatora, które są cechą

charakterystyczną manipulatora i nie muszą pozostawać w związku z właściwościami

obiektów, z którymi w kontakcie pozostaje manipulator.

Literatura

1. Brzózka J., Regulatory i układy automatyki, MIKOM, Warszawa 2004.

2. Morecki A., i inni, Podstawy robotyki. Teoria i elementy manipulatorów i robotów.

WNT Warszawa 1999.

3. Spong M.W., Vidyasagar M., Dynamika i sterowanie robotów, WNT Warszawa 1997,

2004 (wydanie internetowe).

4. Winiarski T., Zieliński C. Podstawy sterowania siłowego w robotach, Pomiary

Automatyka Robotyka 6/2008, str. 5-10.

5. Różne stabilne strony internetowe.

Documents

Automatyka i robotyka IV semestr wykłady - …mechatronika.am.szczecin.pl/download/mat_dyd/... · Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego